DE69311937T2

DE69311937T2 - Integrierter optischer Verstärker und Laser mit einem solchen Verstärker

Info

Publication number: DE69311937T2
Application number: DE1993611937
Authority: DE
Inventors: Serge Valette
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1992-03-13
Filing date: 1993-03-11
Publication date: 1998-01-15
Anticipated expiration: 2013-03-12
Also published as: DE69311937D1; EP0561672A1; EP0561672B1; FR2688641B1; FR2688641A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen integrierten optischen Verstärker und einen Laser mit einem solchen Verstärker.
Die Erfindung findet generelle Anwendungen in der optischen Telekommunikationen.

Stand der Technik

Auf dem Gebiet der optischen Telekommunikationen werden seit einigen Jahren optische Faserverstärker benutzt, die besonders vorteilhaft sind, da sie die System-Aspekte wesentlich verbessern.
Man kann also für die kommenden Jahre mit einem sehr starken Einfluß dieses Typs von Bauteilen rechnen, die miteinander kombiniert werden, um integrierte optische Vorrichtungen zu realisieren, vorausgesetzt man beherrscht ihre Herstellung. Zum Beispiel ermöglicht der Einsatz eines solchen Verstärkers in einem Teiler von 1 bis N, N identische Signale herzustellen, ohne Leistungsverlust zwischen dem Eingangskanal und jedem der individuell genommenen Ausgangskanäle.
Auf dem Gebiet der optischen Telekommunikationen ermöglichen Verstärker dieses Typs, optische Daten über große Entfernungen zu übertragen, mit einer sehr geringen Schwächung bzw. Dämpfung.
Solche Verstärker sind in folgenden Artikeln beschrieben:
- E.K. Mwarania, L. Reekie, J. Wang, J.S. Wilkinson, "Low-threshold monomode ion-exchanged waveguide lasers in neodymium-doped BK-7 glass", Electronics Letters, 2 August 1990, Band 26, Nr. 16. Dieser Artikel beschreibt Laser, die mit optischen Leitern aus Glas hergestellt werden und für die man Spezialglase verwendet, dotiert mit Seltenen Erden, i.allg. Erbium. Man stellt diese Leiter her, indem man die bekannten Ionenaustauschverfahren anwendet. Bei diesen Verfahren wird das Glas bei der Herstellung dotiert; es ist daher nicht möglich, eine Platte bzw. Scheibe zu erhalten, die nur begrenzte Zonen enthält, die dotiert sind: die ganze Platte ist obligatorisch dotiert;
- Yoshinori Hibino, Takeshi Kitagawa, Makoto Shimizu, Fumiaki Hanawa und Akio Sugita, "Neodymium-doped silica optical waveguide laser on silicon substrate", IEEE Photonics Technology Letters, Band 1, Nr. 11, November 1989;
- K. Kitagawa, K. Hatton, M. Shimizu, Y. Ohmon und M. Kobayashi, "Guide-wave laser based on erbium-doped silica planar lightwave circuit", Electronics Letters, 14. Februar 1991, Band 27, Nr. 4. Dieser Artikel sowie der vorhergehende beschreiben einen Laser mit optischen Leitern aus dotiertem Siliciumdioxid, hergestellt mittels Flammenhydrolyse. Der Dotierstoff, Erbium für Wellenlängen um 1,54µm oder Neodym für Wellenlängen um 1,06µm, wird vor dem Vitrifizierungsschritt eingebracht durch Eintauchen in eine Lösung des Typs Erbiumchlorid. Diese Operation wird möglich aufgrund der porösen Konsistenz des Siliciumdioxids (Ruß- Aspekt) vor dem Vitrifizierungsschritt;
- A. Polman, A. Lidgard, D.C. Jacobson, P.C. Becker, R.C. Kistler, G.E. Blonder und J.M. Poate, "1,54µm roomtemperature luminescence of MeV erbium-implanted silica glass", Applied Physical Letters 57, 24. Dezember 1990. Dieser Artikel beschreibt ein Implantationsverfahren von Erbiumionen in optische Leiter aus Siliciumdioxid mittels CVD (Chemical Vapor Deposition) Aber die Benutzung eines solchen Verfahrens ist schwer vorstellbar für die Herstellung integrierter Verstärker, und zwar aus folgenden Gründen:
1/ Schwerion-Erbium-Implantation großer Tiefe (mehrere µm) erfordert beträchtliche Implantationsenergien. In dem vorerwähnten Artikel z.B., mit einer Energie von 9,5 MeV, beträgt die erreichte Tiefe ca. 1,25µm und die Wirkungen der Implantation sind nennenswert nur in der Umgebung dieser Tiefe Rp, über eine Breite ΔRp der Größenordnung 0,55µm,
2/ die Leiter aus dotiertem Siliciurndioxid für optische Telekommunikationen nutzen geringe Schwankungen der Brechzahlen "Kern-Substrat" (ungefähr 10&supmin;³ bis 10&supmin;²) und die Dicke des Kerns ist groß (typisch 4 bis 8µm), um eine gute Kompatibilität mit den optischen Einmodenfasern aufzuweisen.
Unter diesen Bedingungen, wenn man eine Ionenimplantation benutzen will, um optische Verstärker durch Seltenerd-Dotierungen auf den CVD-Siliciumdioxid-Leitern herzustellen, muß man Multienergie-Implantationen von mehreren MeV benutzen, was schwere und sehr teuere Gerätschaften erfordert.
Eine europaische Patentanmeldung EP-A-0 474 447 beschreibt ein Gerät, das eine Vorrichtung mit optischer Verstärkung und optischem Pumpen umfaßt, die einen Wellenleiter des "Planar"- Typs mit Seltenerd-Dotierung (RE) mit ungleichmäßiger Verteilung des Dotierstoffs in dem Kern des Wellenleiters umfaßt. Die RE- Ionen sind derart verteilt, daß die Ionen in einem Bereich des Kerns konzentriert sind, in dem die Modenintensität der beiden Strahlungen, des Sigals und des Pumpens, ziemlich groß ist. Darstellung der Erfindung Um diese verschiedenen Probleme zu lösen, schlägt die Erfindung vor, einen integrierten optischen Verstärker durch Seltenerd-Ionenimplantation auf einem Wellenleiter mit einem Material mit einer sehr großen Brechzahldiffer ΔN in bezug auf das benachbarte Material herzustellen.
Es sei daran erinnert, daß eine Wellenleiterstruktur im allgemeinen aus einer Pufferschicht, einer Leiterschicht und einer oberen Schicht besteht, gestapelt auf einem Substrat, wobei die Leiterschicht eine reale Brechzahl hat die größer ist als die der Pufferschicht und der oberen Schicht. Die obere Schicht kann in bestimmten Fällen durch Luft ersetzt werden.
Die vorliegende Erfindung hat einen integrierten optischen Verstärker nach Anspruch 1 zum Gegenstand.
Vorteilhafterweise umfaßt der Leiter des ersten Typs eine obere Schicht und eine untere Schicht aus Siliciumdioxid und eine Leiterschicht aus Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;), oder aus Siliciumoxinitrid (SiOxNy). Jeder Leiter des zweiten Typs umfaßt eine Leiterschicht aus Siliciumdioxid, eingefügt zwischen eine obere Schicht und eine untere Schicht aus Siliciumdioxid (SiO&sub2;), wobei diese Leiterschicht des zweiten Typs eine höhere Brechzahl als die der unteren und oberen Schicht hat und diese Bedingung durch geeignete Dotierung dieser Schichten realisiert wird.
Vorteilhafterweise, wenn man Licht mit einer Wellenlänge um 1,55µm abstrahlen oder verstärken will, ist die Seltenerd-Dotierung eine Erbium-Dotierung. Die Seltenerd-Dotierung kann ebenfalls eine Kodotierung sein, ausgewählt unter folgenden Möglichkeiten: Erbium-Yttrium, Erbium-Aluminium oder Erbium- Yttrium-Alminium.
Die Verstärkungszone wird vorteilhafterweise einem Tempern in einem Temperaturbereich T von z.B. 700ºC< T< 1200ºC unterzogen. Vorteilhafterweise ist die Leiterschicht in der Zwischenzone aus Siliciumnitrid, mit einer typischen Dicke zwischen 0, 04 und 0,3µm für die für die Telekommunikationen interssanten Wellenlängen. Eine Implantation von einigen hundert KeV von Seltenerdionen genügt dann, um das fragliche Ion bis in eine Tiefe eindringen zu lassen, die den Dimensionen des Leiters sehr nahe kommt. Die Leiterschicht in jeder Außenzone kann aus Siliciumdioxid hergestellt werden, dotiert durch Dotierung mit wenigstens einem der folgenden Bestandteile: Phosphor, Bor, Stickstoff, Germanium oder Titan; oder aus Siliciumdioxid, nicht dotiert oder mit Fluor dotiert, wobei die zugeordnete untere und obere Schicht dann mit Fluor mit weniger starken Konzentrationen als die in der Leiterschicht dotiert sind.
Bei einer ersten Konfiguration umfassen die Einspeisungseinrichtungen der Pumpwelle wenigstens einen Sekundärleiter, hergestellt auf dem Substrat und mit dem Hauptleiter mit der Gesamtheit oder mit einem Teil seiner Zwischenzone gekoppelt, wobei dieser Sekundärleiter wenigstens eine Pumpwelle leitet. Jeder Sekundärleiter umfaßt einen ersten Teil, gekoppelt mit der Zwischenzone, gebildet durch einen Leiter des ersten Typs, und wenigstens einen zweiten Teil, gebildet durch einen Leiter des zweiten Typs, verbunden mit dem ersten Typ durch einen adiabatischen übergang. Bei einer solchen Konfiguration wird die Verstärkungszone hergestellt durch Implantationen in dem Hauptleiter und dem Sekundärleiter in Höhe ihres gekoppelten Teils.
Bei einer zweiten Konfiguration umfaßt der Verstärker zwei Sekundärleiter, wobei die Verstärkungszone des Hauptleiters in der Zwischenzone angeordnet ist, wenigstens in dem Teil, in dem der Haupt- und der Sekundärleiter nicht gekoppelt sind, und zwischen den Sekundärleitern. Die Verstärkungszone ist nur in dem Hauptleiter implantiert, in Höhe dieser Zwischenzone. Vorteilhafterweise wird der Hauptleiter in der Verstärkungszone als spiralförmiger Leiter realisiert, um die Verstärkungslänge zu vergrößern ohne das Volumen des Bauteils wesentlich zu vergrößern.
Bei einer anderen vorteilhaften Konfiguration wird ein Laser realisiert, indem man einen erfindungsgemäßen Verstärker benutzt, wobei eine Verstärkungszone sich zwischen zwei optischen Gittern befindet, die einen Rücklauf der verstärkten Wellenlänge in sich selbst ermöglicht.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

- Die Figur 1 zeigt eine erste Konfiguration eines erfindungsgemäßen integrierten optischen Verstärkers;
- die Figur 2 zeigt eine zweite Konfiguration eines erfindungsgemäßen integrierten optischen Verstärkers;
- die Figur 3 zeigt eine Variante der in Figur 2 dargestellten zweiten Konfiguration;
- die Figur 4 zeigt eine Querschnittansicht der ersten Konfiguration entsprechend der Ebene IV-IV der Figur 1;
- die Figuren 5 bis 7 zeigen mehrere Merkmale des erfindungsgemäßen Verstärkers;
- die Figur 8 zeigt einen Laser, bei dem ein erfindungsgemäßer Verstärker benutzt wird;
- die Figur 9 stellt Kurven dar, die die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verstärkers erläutern;
- die Figur 10 zeigt eine vorteilhafte Ausführung.
Detaillierte Darstellung von Ausführungsarten In der Folge der Beschreibung wird die Leiterstruktur Si/SiO&sub2;/Si&sub3;N&sub4;/SiO&sub2;, eine obere und eine untere Schicht aus Siliciumdioxid und eine Leiterschicht aus Siliciumnitrid umfassend, OIS1-Struktur genannt, und die Leiterstruktur Si/SiO&sub2;/Sio&sub2;hoher Index/SiO&sub2;, eine obere und eine untere Schicht aus Siliciumdioxid umfassend sowie eine Leiterschicht aus Siliciumdioxid, dotiert mit Dotiertstoffen, die ihre Brechzahl erhöhen, wird OIS2-Struktur genannt.
Der erfindungsgemäße integrierte optische Verstärker wird mittels Implantation von Seltenerdionen, z.B. von Erbium, auf einem Leiter des Typs OIS1 realisiert, gebildet durch ein Material mit einer sehr starken Indexdifferenz ΔN in bezug auf benachbarte Materialien. Tatsächlich hat man:
nSiO2 ≈ 1,45
nSi3N4 ≈ 2
Vorteilhafterweise ist ΔN≥0,3 mit einer Leiterkerndicke W von z.B.: Wmin≤W≤0,4µm. In Figur 9 ist die Entwicklung der effektiven Dicke We der geleiteten Mode dargestellt (wobei We der Breite dieser Mode für eine bei 1/e gemessene Amplitude in bezug auf die Maximalamplitude entspricht) in Abhängigkeit von der Dicke des Kerns W für einen bestimmten bzw. gegebenen Indexunterschied von ΔN.
In dieser Figur sieht man, daß man, um eine Modenbreite We kleiner als ein bestimmter Wert zu haben, einen Minimalwert von ΔN wählen muß (z.B. führt in Figur 9 We≤1µm zu ΔN≥0,3). Unter diesen Bedingungen sieht man ebenfalls, daß W enthalten ist zwischen einem Maximalwert Wmax und einem Minimalwert Wmin. Außerdem ist Wmax auch begrenzt durch die mit den uns zur Verfügung stehenden Implantationsenergien maximal erreichbare Implantationstiefe. Die Wahl eines Grenzwerts für We (z.B. 1µm in unserem Fall) wird diktiert durch die Bemühung, einen ausreichenden Verstärkungsfaktor zu erhalten (und folglich eine nicht zu große Verstärkungsbreite) unter Berücksichtigung der in der Praxis erreichbaren Konzentrationen der implantierten Ionen.
Die implantierte Zone muß dann getempert werden, um die durch den Beschuß verursachten Defekte zu heilen und Erbium in einer nicht zu sehr gestörten kristallinen Matrix zu erhalten (Si&sub3;N&sub4; oder SiOxNy...). Die optimale Temperatur hängt von der Art des die Matrix bildenden Materials ab. Man kann einen allgemeinen Temperaturbereich T definieren, z.B.: 700ºC< T< 1200ºC; vorteilhafterweise mit Siliciumnitrid: 1000ºC< T< 1200ºC
Das Erbium wird verwendet, da es eine Verstärkung der in der optischen Telekommunikation benutzten Wellenlängen ermöglicht: λ ≈ 1,54µm. Es ist jedoch möglich, andere Seltene Erden oder Kodotierungen wie z.B. Erbiurn-Yttrium, Erbium-Aluminium oder Erbium-Yttrium-Aluminium zu benutzen, wobei Yttrium eine Absorption des Pumpstrahls ermöglicht und Aluminium eine Homogenisierung der Spektralempfindlichkeit bzw. -charakteristik bei der Verstärkung ermöglicht.
Der in Figur 1 dargestellte Verstärker wird auf einem Substrat 10 hergestellt. Er umfaßt einen Hauptleiter 11, der das zu verstärkende Signal leitet (Wellenlänge λs) und mit dem ein Sekundärleiter 12 gekoppelt ist, der in jeder Richtung eine Pumpwelle leitet (Wellenlänge λp).
Der Hauptleiter, hier angeordnet zwischen einer optischen Einmoden-Eingangsfaser 13 und einer optischen Einmoden- Ausgangsfaser 14, umfaßt eine Zwischenzone 15 mit einer Struktur des Typs OIS1, zwischen zwei Zonen 16 und 17 mit einer Struktur des Typs OIS2 befindlich&sub6; Die beiden Übergänge 18 und 19 zwischen diesen beiden Zonentypen sind adiabatische Übergänge.
Der Sekundärleiter, hier angeordnet zwischen zwei Laserdioden 20 und 21, umfaßt ebenfalls eine Zwischenzone 22 mit einer Struktur des Typs OIS1, zwischen zwei Zonen 23 und 24 mit einer OIS2-Struktur befindlich. Die beiden Übergänge 25 und 26 zwischen diesen beiden Zonentypen sind adiabatische Übergänge.
Bei dieser ersten Anwendungskonfiguration ist die Benutzung eines Zweirichtungskopplers nicht obligatorisch: sie ermöglicht nur, die Pumpenergie zu erhöhen und folglich eine größere Verstärkung zu erzielen über kürzere Wechselwirkungsdistanzen.
Bei der zweiten Konfiguration, dargestellt in Figur 2, ist der Zweirichtungskoppler 11-12 der Figur 1 ersetzt durch zwei getrennte Koppler 11-31, 15-32.
Die Wahl der einen oder der anderen dieser beiden Konfigurationen hängt von dem Verstärkungskoeffizienten gs (für die Wellenlänge des zu verstärkenden Signals) und dem Absorptionskoeffizienten αp (für die Pumpwellenlänge λp) und den Charakteristika der gewünschten Koppler ab.
Wenn die Verstärkungs und Absorptionskoeffizienten gs und ap groß sind und infolgedessen die Absorptionslänge LA des Pumpstrahls (LA ≈ 1/αp) klein ist (wenigstens einige Millimeter), ist die erste Konfiguration, dargestellt in Figur 1, vorteihafter.
Wenn hingegen die Absorptionslänge LA groß ist (mehrere Zentimeter oder mehr), ist die zweite Konfiguration mit zwei unabhängigen Kopplern, dargestellt in Figur 2, vorteilhafter.
Bei der zweiten Konfiguration kann die Zwischenzone 33 vorteilhafterweise gewählt werden, um die Verstärkung zu optimieren. Wenn die Verstärkung klein ist, ist diese Zone 33 möglichst groß. Sie kann z.B. die Form eines "Spiral"-Leiters annehmen, wie dargestellt in Figur 3, der ermöglicht, große Leiterlängen zu erhalten, z.B.in der Größenordnug eines Meters, ohne die Größe der Vorrichtung nennenswert zu erhöhen.
Die in Figur 4 dargestellte Struktur ist eine Schnittansicht des in den beiden Konfigurationen benutzten Kopplers, z.B. entsprechend der Schnittebene IV-IV der Figur 1. Das Substrat 35 ist aus monokristallinem Silicium. Die Pufferschicht 36 ist aus Siliciumoxid der Brechzahl n2 mit 15µm Dicke, hergestellt durch thermische Hochdruck-Oxidation des Substrats oder durch PECVD. Die Leiterschicht 37 ist eine Siliciumnitridschicht von 50 bis 500nm Dicke, erhalten durch LPCVD oder PECVD. Die beiden seitlichen Lichtbarrieren 38 sind Siliciumoxidschichten der Brechzahl n1, ähnlich oder gleich n2, von 0,5 bis 5µm, abgeschieden durch PECVD oder LPCVD. Die dielektrische Schicht 39 ist eine dielektrische Schicht mit der Brechzahl nD< n1. Das Siliciumdioxid hat eine erste tatsächliche Brechzahl n1 von ungefähr 1,45, das Dielektrikum eine tatsächliche Brechzahl nD von ungefähr 1,40 und das Siliciumdioxid eine Brechzahl von ungefähr 2.
Die Tatsache, einen Leiter des Typs OIS1 einem Leiter des Typs OIS2 zuzuordnen, über einen adiabatischen Übergang, ermöglicht, einen Leiter des Typs OIS1 kompatibel zu machen mit einer optischen Einmoden-Standardfaser. Bei einem Leiter des Typs OIS2, d.h. der Struktur Si/SiO&sub2;/SiO&sub2;hoher Index/SiO&sub2; kann man das Silicium- oder Siliciumdioxid (SiO&sub2;) mit hohem Index durch Dotierung mit Bor, Stickstoff, Phosphor, Germanium oder Titan ... herstellen oder durch Fehlen von Dotierung, wenn das Umgebungs- Siliciumdioxid dotiert ist durch einen Dotierstoff, der die Brechzahl verringert (Fluor...).
Die adiabatischen Übergangszonen, die hergestellt werden können wie beschrieben in dem Dokument "Applied Physical Letters" 55 (23) vom 4. Dezeber 1989, Seiten 2389-2391, von Y Shani et al. "Efficient coupling of a semiconductor laser to an optical fiber by means of a tapered waveguide on silicon", ermöglicht, das Licht aus einem Leiter des OIS1-Typs effizient in einen entsprechenden Leiter des OIS2-Typs zu koppeln (90% oder mehr) und umgekehrt.
Ein Übergang dieses Typs ist in den Figuren 5a und 5b dargestellt, jeweils als schematische Darstellung und im Längsschnitt.
Der dargestellte Übergang ermöglicht also z.B., von einem Leiter 11 des Typs OIS1 überzuwechseln in einen Leiter 1.6 des Typs OIS2. In diesen Figuren 5a und 5b findet man die in Figur 4 schon dargestellten Schichten wieder.
Der Leiter 11 umfaßt ein Substrat 35 aus monokristallinem Silicium, überzogen von einer äußeren Einschließungsschicht 36 aus Siliciumoxid (SiO&sub2;). Auf dieser Schicht befinden sich eine Leiterschicht 37 aus Siliciumnitrid, die den Leiter 11 definiert, und zwei aufeinanderfolgende Einschließungsschichten, wobei die erste 38 derart dotiert ist, daß ihre Brechzahl größer ist als die der Schicht 39. In jedem Leiter 11 (16) und ebenfalls in der Übergangszone 18 weist die Leitschicht eine Brechzahl auf, die höher ist als die der sie umgebenden Schichten.
In der adiabatischen Zone hat die Leitschicht 37 aus Siliciumnitrid eine Breite, die progressiv abnimmt gegen Null.
Der Leiter OIS2 kann entsprechend der gestrichelten Linie am Ende der Übergangszone geätzt sein oder nicht.
In den beiden in den Figuren 1 und 2 dargestellten Konfigurationen sind die adiabatischen Übergänge 18 und 19 unerläßlich, denn man muß das Licht wieder in optische Monomodefasern einkoppeln, z.B. die optischen Fasern 13 und 14. Um diese Verbindungen optische Fasern-optische Leiter herzustellen, kann man vorteilhafterweise das Verfahren benutzen, das in der französischen Patentanmeldung Nr. 90 02575 vom 1. März 1990 beschrieben wird.
Hingegen sind die adiabatischen Übergänge 25 und 26 nicht unerläßlich. Aber sie ermöglichen, die Pumplaserdioden 20 und 21 in die Leiter 23 und 24 des Typs OIS2 einzukoppeln, was die Wirkung hat, die Kopplung in puncto Positionierungsempfindlichkeit zu erleichtern. Es ist jedoch ohne weiteres vorstellbar, diese beiden Übergänge 25 und 26 wegzulassen und eine direkte Kopplung zwischen den Pumpdoiden 20 und 21 und dem Leiter 22 (oder einem der Leiter 31 und 32) des Typs OIS1 zu benutzen.
Bei einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen integrierten optischen Verstärker weist die Zwischenzone 15 die folgenden Charakteristika auf:
- Siliciumnitridkern mit einer Dicke von 0,16µm,
- Erbiumimplantation.
Man kann eine Energie von 300 KeV benutzen, Dosis 10¹&sup4;cm&supmin;² bis 10¹&sup5;cm&supmin;²
Rp ≈ 0,11µm
Rp ≈ 0,005µm
Man kann ebenfalls eine Multienergie-Implantation durchführen, z.B.:
E&sub1; ≈ 50 KeV
E&sub2; ≈ i20 KeV
E&sub3; ≈ 300 KeV
Eine solche Implantation deckt fast die gesamte Dicke des Leiters ab und gewährleistet infolgedessen eine homogene und starke Erbiumkonzentration im gesamten Kern und eine effiziente Verstärkung des Lichts in dem entsprechenden Spektralband.
Ein Tempern ist jedoch notwendig, um die durch den Ionenbeschuß verursachten Defekte zu eliminieren und die Seltenerd-Ionen aktiv zu machen.
Die Parameter solcher Temperschritte sind bekannt und situieren sich bei Temperaturen von 600 bis 1000ºC während Dauern von 30' bis 3 Stunden, je nach gewünschtem Verbesserungsgrad und gewählter Implantationsdosis.
Um die nachfolgende Erläuterung zu vereinfachen, wird nur die erste Konfiguration behandelt, wobei dann der betrachtete Koppler ein Einrichtungskoppler ist. Eine analoge Erläuterung könnte ebensogut für die erste Konfiguration mit einem Zweirichtungskoppler entwickelt werden, oder für die zweite Konfiguration.
Die Wellenlänge des zu verstärkenden optischen Signals λs ist hier gleich oder um 1,54µm.
Die Purnpwellenlänge λp kann ziemlich frei gewählt werden in einem Absorptionsspektrum von erbiumdotiertern Siliciumnitrid Si&sub3;N&sub4;.
Selbstverständlich ist es nicht möglich, daß die Koppler z.B. permanent die gesamte Energie des Signals mit der Signalwellenlänge λs in dem Hauptleiter 11 zurückhalten und die gesamte Pumpenergie mit der Pumpwellenlänge λp des Sekundärleiters 12 dem Hauptleiter 11 zuführen können. In der Praxis führt der Koppler einen Austausch gleichzeitig für die Wellenlängen λs und λp durch.
Wenn man die Verlust- und Verstärkungskoeffizienten αp und gs vernachlässigt, entspricht die Charakteristik eines Kopplers der folgenden, gut bekannten Form:
1/ für die Signalwellenlänge λs:
- in dem Hauptleiter: I1s = Iso cos² Ksz
- in dem Sekundärleiter: I2s = Iso sin² Ksz
2/ für die Pumpwellenlänge λp:
- in dem Hauptleiter: I1p = Ipo cos² Kpz
- in dem Sekundärleiter: I2p = Ipo sin² Kpz
wobei Ks und Kp die Kopplungskoeffizienten für die Wellenlängen λs und λp sind.
Die entsprechenden Kopplungslängen, d.h. die Längen, bei denen es zu einem vollständigen Energieaustausch zwischen dem Hauptleiter und dem Sekundärleiter kommt, sind
Lp = π/2Kp Ls =π/2Ks
Da die Pumpwellenlänge λp kleiner ist als die Signalwellenlänge λs, ist die Kopplungswellenlänge Lp bei einer gegebenen Kopplerkonfiguration generell größer als die Kopplungswellenlänge Ls. Man wählt vorteilhafterweise die Wechselwirkungslänge des Kopplers LI (Distanz für die es einen Lichtenergieaustausch zwischen den beiden Leitern gibt), z.B.:
LI ≈ Lp = 2Ls
Die Energieaustausche zwischen dem Hauptleiter und dem Sekundärleiter sind in Figur 6 schematisch dargestellt.
Über der Länge LI geht die Signalenergie ( λs) vom Hauptleiter 11 über in den Sekundärleiter 12 und kehrt dann zurück in den Hauptleiter 11.
Über dieselbe Länge LI wechselt die Pumpenergie ( λp) vorn Sekundärleiter 12 in den Hauptleiter 11 über, nach den weiter oben angegebenen Formeln (wenn αp und gs klein sind, was i.allg. der Fall ist).
Folgendes beziffertes Beispiel ist denkbar (mit Bezug auf die Figur 4):
mit λs = 1,55µm
λp = 0.98µm
erhält man nSiO2 = 1,45 bis 0,98 µm; und
nSiO2 = 1,44 bis 1,55µm
nSiO2 = 1,98 {1,986 bis 0,98 µm/ 1,976 bis 1,55 µm
nD=1 (Luft)
W=1 µm
S=0,8µm
Lp=LI= 88,6µm LI ist größer mit nD=1,40, S in der Größenordnung von 1 bis 8µm und W von 1 bis 8µm.
Dies ist nur ein Beispiel, denn es gibt unendlich viele Lösungen.
Es ist klar, daß die nützlichen Implantationszonen immer die sind, wo gleichzeitig der Signalstrahl und der Pumpstrahl sind.
Bei der ersten Konfiguration in Figur 1 findet die Implantation in Höhe des Kopplers statt und betrifft zugleich den Hauptleiter 11 und den Sekundärleiter 12.
Bei der zweiten Konfiguration in Figur 2 ist die implantierte Zone vorteilhafterweise die Zwischenzone 33 und betrifft nur den Hauptleiter 11.
Selbstverständlich können Zischenkonfigurationen benutzt werden, um dem praktischen Fall Rechnung zu tragen, der sich zwischen den Konfigurationen der Figuren 1 und 2 befindet, mit Zwischenkopplerzonen der Länge LZIC, die sich von den Wechselwirkungslängen der LO-Koppler nicht sehr unterscheiden.
Zwischen den Leitern 11 und 12 richtig lokalisierte Implantationen können dann vorteilhaft sein.
Wenn LZIC - LI, kann man die in Figur 7 dargestellte Konfiguration erhalten. In dieser Figur können die implantierten Zonen die Stellen der gestrichelten Zonen einnehmen.
Bei all diesen erfindungsgemäßen Konfigurationen ist die Verstärkungszone vorteilhafterweise in den Teilen des Leiters implantiert, wo die Signal- und Pumpwellen deutlich vorhanden sind. Wenn die eine oder die andere dieser Wellen fehlt oder einfach schwach ist in dem betreffenden Teil, erhöht die Ionenimplantation nur die Absorption einer Welle oder von beiden Wellen, was für den Gesarntwirkungsgrad des Verstärkers nachteilig ist.
Um die Zwischenzone 15 des Hauptleiters 11 zu realisieren, ist der Leiters des Typs OIS1 mit einem Siliciumnitridkern am besten geeignet. Jedoch kann man ein analoges Verfahren mit Leitern mit Sioxny-Kern mit ausreichend hoher Brechzahl vorsehen (nSiOxNy > 1,75).
Eine OIS1-Struktur eines vorteilhaften Typs ist in Figur 10 dargestellt, mit einer Verstärkungszone 50. Sie ermöglicht nämlich, eine für Polarisation unempfindliche Verstärkung zu erhalten: d.h. eine ähnliche Verstärkung bei den beiden Polarisationen TE und TM, vorausgesetzt, daß δN≤5x10&supmin;².
Die Dicke der dem Kern benachbarten Schichten wird als unendlich betrachtet, d.h. größer als die Penetration der in diesen Schichten abklingenden Welle; in der Praxis ist diese Dicke in der Größenordnung von einigen µm. Diese Mikroleiterstruktur kann begrenzt sein, wie dargestellt in Figur 10, mit den folgenden Zahlenwerten:
N 1,45
ΔN 0,55
δN 2.10&supmin;²
L 4 µm
W 0,3-0,4 µm.
Die obere Schicht ist zusammengesetzt aus einer mittleren Schicht mit der Brechzahl N, derart geätzt, daß sie die Breite L des Si&sub3;N&sub4;-Kerns definiert, und einer Schicht mit der Brechzahl N-δN, entweder beiderseits der mittleren Schicht angeordnet oder diese bedeckend.
Der oben beschriebene erfindungsgemäße Verstärker kann benutzt werden, um einen Laser herzustellen, wie dargestellt in Figur 8. Man führt dann ein optisches Element ein, das fähig ist, die Rolle des Resonators zu spielen, und man läßt das Wellenlängensignal λs weg.
Vorteilhafterweise können die Resonatorelemente durch Gitter 41 und 42 realisiert werden, deren Teilung p berechnet wird, um einen Rücklauf des verstärkten Lichts in dem Verstärkermedium 40 zu gewährleisten. Das optische Signal am Eingang wird durch einen Leiter 44 des Typs OIS2 geleitet und durchläuft einen adiabatischen Übergang 45, ehe es das Gitter 41 erreicht. Das optische Signal am Ausgang des zweiten Gitters 42 wird durch den Leiter 46 des Typs OIS2 geleitet, nachdem es einen adiabatischen Übergang 47 durchlaufen hat. In der Praxis ist bekannt, daß die Teilung p der folgenden Gleichung entspricht:
p = λA/2nA
wobei λA hier die Wellenlänge des in dem Verstärkungsteil 40 emittierten Lichts ist (und folglich dieselbe Rolle spielt wie λs in dem vorhergehenden Fall) und nA die effektive Brechzahl der Leitmode (mode guide) in dem Lichtleiter ist.
Selbstverständlich sind bei dieser Konfiguration die Koppler nicht mehr nötig, denn es gibt kein Wellenlängensignal λs mehr sondern nur ein Ausgangssignal mit der Wellenlänge λA, geliefert durch den Verstärkungsteil der Länge LA.
Die Pumpwellenlänge λp kann also entsprechend den vorhergehend beschriebenen Einrichtungen direkt in den Hauptwellenleiter eingespeist werden.
Die Gitter 41 und 42 ermöglichen einen Rücklauf der verstärkten Wellenlänge λA in sich selbst, übertragen aber das Pumpsignal λp vollständig.
Die implantierte Verstärkungszone 40 ist enthalten zwischen diesen Gittern 41 und 42 und ihre Länge LA wird optimiert in Abhängigkeit vorn gewünschten Verstärkungskoeffizienten g. In der Praxis arrangiert man sich, damit diese Länge LA ungefähr der Länge entspricht, über die der Koeffizient g positiv bleibt, d.h. die Länge, für die der Pumpstrahl eine ausreichende Populationsinversion erzeugt, um einen Verstärkungszuwachs sicherzustellen, der größer ist als die Ausbreitungsverluste des zu verstärkenden Strahls.
Im Falle des erfindungsgemäßen Verstärkers ist die Erbiumimplantation günstig, denn sie führt zu einer Verstärkung von Licht um die Wellenlänge 1,54mm herum, welche die für die optischen Telekommunikationen gewählte Wellenlänge ist. Im Falle von Lasern können andere Emissionswellenlängen interessant sein: folglich kann die Erbiumimplantation in dem Maße durch die Implantation eines anderen Elements ersetzt werden, wie das durch Erregen der radiativen Übergänge durch das Pumplicht emittierte Licht sich in einer Transparenzzone der betreffenden, nicht implantierten Leiter befindet.
Selbstverständlich wurde die vorliegende Erfindung oben nur anhand vorteilhafter Beispielen beschrieben und ihre wesentlichen Elemente können durch gleichwertige Elemente ersetzt werden, ohne deswegen den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Integrierter optischer Verstärker, auf einem Silciumsubstrat (10) einen Hauptleiter (11) umfassend, der an einem ersten Ende ein Eingangssignal empfängt und an einem zweiten Ende ein Ausgangssignal liefert, bei dem dieser Hauptleiter (11) eine Zwischenzone (15) umfaßt, umgeben von zwei Außenzonen (16, 17) mit adiabatischen Übergängen (18, 19), angeordnet zwischen diesen verschiedenen Zonen, bei dem die Zwischenzone einen Leiter eines ersten Typs bildet, eine leitende Schicht (37), eine untere Schicht (36) und eine obere Schicht (39) umfassend, zwischen die die leitende Schicht eingefügt ist, bei dem die beiden Außenzonen (16, 17) jeweils einen Leiter eines zweiten Typs bilden, eine zwischen eine obere Schicht und eine untere Schicht eingefügte leitende Schicht umfassend, wobei diese leitende Schicht eine höheren Brechzahl als die untere und die obere Schicht aufweist, bei dem der Hauptleiter verbunden ist mit Einrichtungen zum Einspeisen einer Pumpwelle, und bei dem der Leiter des zweiten Typs ermöglicht, den Leiter des ersten Typs kompatibel zu machen mit einer Monomode-Faser (13, 14), dadurch gekennzeichnet, daß für die leitende Schicht (37) der Zwischenzone ein Material mit einer sehr großen Brechzahldifferenz ΔN ≥ 0,3 in bezug auf die obere Schicht (39) und die untere Schicht (36) verwendet wird, und dadurch, daß die Zwischenzone (15) eine Verstärkerzone umfaßt, in der die leitende Schicht dotiert oder kodotiert ist durch Ionenimplantation von wenigstens einer seltenen Erde, so daß die Ionenkonzentration in der in der Verstärkerzone befindlichen leitenden Schicht homogen ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter des ersten Typs eine obere Schicht (39) und eine untere Schicht (36) aus Siliciumdioxid und eine leitende Schicht (37) aus Siliciumnitrid oder aus Siliciumoxinitrid SiOxNy umfaßt, und dadurch, daß jeder Leiter des zweiten Typs eine leitende Schicht aus Siliciumdioxid umfaßt, eingefügt zwischen eine obere Schicht (39) und eine untere Schicht (36) aus Siliciumdioxid, wobei diese leitende Schicht des zweiten Typs eine höhere Brechzahl aufweist als die untere und die obere Schicht und diese Bedingung hergestellt wird durch geeignetes Dotieren der besagten Schichten.

3. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seltene-Erden-Dotierung eine Erbium-Dotierung ist.

4. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seltene-Erden-Dotierung eine Kodotierung ist, ausgewählt unter den folgenden Möglichkeiten:

Erbium-Yttrium oder Erbium-Aluminium oder Erbium-Yttrium-Aluminium.

5. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht (37) in der Zwischenzone (15) aus Siliciumnitrid eine zwischen 0,04 und 0,3µm enthaltene Dicke aufweist.

6. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht (38) in jeder Außenzone (16; 17) aus dotiertem Siliciumdioxid hergestellt ist, dotiert mit wenigstens einem der folgenden Bestandteile: Phosphor, Germanium, Titan, Bor und Stickstoff.

7. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht (38) in jeder Außenzone (16, 17) hergestellt ist aus nichtdotiertem oder mit Fluor dotiertem Siliciumdioxid, wobei die zugeordneten unteren und oberen Schichten mit Fluor mit weniger starken Konzentrationen als denjenigen dotiert sind, die bei der leitenden Schicht angewendet werden.

8. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Einspeisen der Pumpwelle wenigstens einen Sekundärleiter (12) umfassen, hergestellt auf dem Substrat und über die Gesamtheit oder einen Teil seiner Zwischenzone gekoppelt mit dem Hauptleiter (11), wobei dieser Sekundärleiter wenigstens eine Pumpwelle leitet.

9. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sekundärleiter (12; 31, 32) einen ersten, mit der Zwischenzone gekoppelten Teil umfaßt, gebildet durch einen Leiter des ersten Typs.

10. Verstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sekundärleiter (12; 31, 32) einen zweiten, durch einen Leiter des zweiten Typs gebildeten (23, 24; 31, 32) Teil umfaßt, der mit dem ersten Teil durch einen adiabatischen Übergang (25, 26) verbunden ist.

11. Verstärker nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß er einen einzigen Sekundärleiter (12) umfaßt, wobei die Verstärkerzone hergestellt wird durch Implantation im Hauptleiter (11) und Sekundärleiter (12) in Höhe ihrer gekoppelten Teile.

12. Verstärker nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerzone nur im Hauptleiter (11) implantiert ist, in Höhe dieser Zwischenzone (33).

13. Verstärker nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Sekundärleiter (31, 32) umfaßt, wobei die Verstärkerzone des Hauptleiters in der Zwischenzone angeordnet ist, wenigstens in dem Teil, in dem Haupt- und Sekundärleiter nicht gekoppelt sind und zwischen den beiden Sekundärleitern.

14. Verstärker nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptleiter (11) in der Verstärkerzone in einem Leiter (33) realisiert ist, der die Form einer Spirale hat.

15. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter des ersten Typs eine obere Schicht aufweist, die eine zentrale Schicht mit der Brechzahl N umfaßt, umgeben von zwei Schichten mit der Brechzahl N-δN, welche die seitliche Einschliessung sicherstellen, z.B. δN ≤ 5.10&supmin;².

16. Laser mit einem Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerzone (40) sich zwischen zwei optischen Rastern bzw. Gittern (41, 42) befindet, die eine Rückkehr der verstärkten Wellenlänge zu bzw. auf sich selbst ermöglicht.